日本企業OKI于2023年9月5日宣布，與信越化學（以下簡稱信越化學）聯合開發了一項新技術，該技術將導致實現低成本垂直GaN（氮化鎵）功率器件。該技術僅從“QST基板”（一種專用于GaN生長的復合材料基板）上剝離GaN功能層，并將其粘合到不同材料的基板上。如果采用新技術實現垂直GaN功率器件，與現有技術相比，將有可能將成本降低至十分之一左右。

GaN因其特性，作為高性能功率半導體材料而備受關注，近年來其開發和市場導入不斷加速。GaN功率器件有兩種類型：水平型（在硅晶圓上生長GaN晶體）和垂直型（原樣使用GaN襯底）。使用硅片的臥式類型可以以相對較低的成本獲得GaN的高頻特性，但在需要超過650V的高擊穿電壓時不適合。另一方面，垂直型比水平型更適合高電壓和大電流，但存在成本問題，例如GaN晶圓價格昂貴且直徑較小，約為2至4英寸。

OKI和信越化學開發的新技術是利用OKI開發的“CFB（晶體薄膜鍵合）技術”分離在信越化學獨特改進的QST襯底上生長的單晶GaN，并鍵合異種材料襯底。就是加入到的意思。這使得在GaN中實現垂直導電性并同時增加晶圓直徑成為可能，“有助于社會上可實施的垂直GaN功率器件的實現和廣泛使用。”

QST襯底是美國Qromis公司開發的專門用于GaN生長的復合材料襯底，信越化學于2019年與Qromis公司簽訂了許可協議。QST基板具有與GaN相同的熱膨脹系數，可以抑制翹曲和裂紋。這一特性使得在8英寸或更大的晶圓上生長高擊穿電壓的厚膜GaN晶體成為可能，解決了直徑增大的問題。

另一方面，OKI的CFB技術可以僅從QST基板上剝離GaN功能層，同時保持高器件特性。此外，GaN晶體生長所需的絕緣緩沖層已被去除，各種襯底可以通過允許“歐姆接觸”（根據歐姆定律具有線性電流-電壓曲線的電連接）的金屬電極連接。它可以加入到。具體而言，除了硅以外，還可以與SiC（碳化硅）、GaN、GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）等化合物半導體晶片、玻璃晶片等基板接合。OKI 解釋說：“只要表面平整度與半導體晶圓相當，CFB 技術就可以進行粘合。”

兩家公司表示，通過使用這些技術將GaN層鍵合到具有高散熱性的導電襯底上，將有可能實現高散熱性和垂直導電性。OKI表示，“兩家公司的技術解決了兩個問題，為垂直GaN功率器件的社會實施鋪平了道路。如果我們能夠將QST襯底上的單晶GaN與CFB技術相結合來實現垂直GaN，我們假設成本可以降低到十分之一左右。”

展望未來，信越化學計劃向制造 GaN 器件的客戶提供 QST 襯底和外延襯底，OKI 將通過合作和許可提供 CFB 技術。OKI 預計將于 2024 年開始向客戶推出該技術。

信越化學目前擁有6英寸和8英寸QST基板系列。此外，他們正在利用有利于更大直徑的材料特性開發 12 英寸版本，并計劃在 2024 年分發樣品。

OKI的CFB技術目前兼容6英寸設備，OKI解釋說，“我們的目標是在未來支持8英寸設備，并正在進行準備工作，目標是在2025年開始研發。” 關于可支持的 GaN 層的厚度，他解釋說：“目前，我們的記錄厚度可達 7 μm。” OKI表示，“我們認為耐高壓所需的厚度約為20μm，并且我們相信通過未來的開發可以實現這一目標。”

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垂直GaN的優勢

與硅相比，氮化鎵 (GaN)能夠在更高的溫度下工作并承受更高的電壓。

與在非 GaN 襯底上制造的橫向 GaN 器件相比，低缺陷密度體 GaN 襯底上的低缺陷密度外延層導致垂直功率器件在電壓和熱應力下表現出更高的可靠性。

橫向 GaN-on-Si（或 GaN-on-SiC）器件結合了熱膨脹系數 (CTE) 不匹配的材料，這會損害可靠性和性能。

垂直GaN能夠在高擊穿電壓下工作，這使得垂直GaN能夠為最苛刻的應用提供動力，例如數據中心服務器的電源以及電動汽車、太陽能逆變器、電機和高速列車中的功率轉換應用。

垂直 GaN 器件旨在通過漂移層傳導電流，漂移層位于晶體管的主體內部。因此，不存在因表面界面雜質捕獲的電荷而產生動態 R DS (on) 變化的機制。柵源二極管的耗盡區延伸到溝道中控制漏極和源極之間的電流。在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化柵源二極管發生，隨后導致雪崩電流增加柵源電壓并且溝道打開并導通。

如果垂直氮化鎵獲得發展，基于其開發的這些器件的工作電壓范圍為 100 伏一直到 4,000 伏，并且可以以多個兆赫茲的開關頻率進行開關。這些設備在結構上是三維的，因此它們是垂直的。如果你想要更高的電壓，我們就生長更多的氮化鎵。如果您想要更大的電流，我們可以增加設備的面積。因此，我們使用器件的所有三個維度來制作結場效應功率晶體管。

這些設備還具有雪崩特性，而雪崩特性是設備所需的一個非常重要的屬性。這是設備的一種自我保護機制。因此，如果其兩端的電壓或通過其的電流出現峰值，它可以吸收這些電涌并在電涌事件發生之前繼續像正常情況一樣運行。

正因為擁有如此多優勢，開發者正在規劃采用垂直 GaN 器件為服務器和數據中心、電動汽車、太陽能逆變器以及 LED 驅動器供電的項目。垂直GaN實際上可以在高性能系統和具有成本競爭力的系統中發揮作用。

為了確保能夠減小系統尺寸和成本，我們還必須使用簡單且低成本的驅動程序。因此，我們使用標準硅 MOSFET 驅動器來驅動結型場效應晶體管或 JFET。順便說一句，這些 JFET 是增強型的。因此，駕駛它們非常容易。您還需要能夠在大于 1 兆赫茲的高開關頻率下運行的控制器。

編輯：黃飛